预制装配式剪力墙钢筋连接方法研究进展

2019-01-23安贺舜周德源

结构工程师 2018年6期

安贺舜周德源

(同济大学结构工程与防灾研究所,上海 200092)

0 引言

目前,装配式建筑在我国开展的如火如荼。装配式建筑具有“四节一环保”、生产效率高、施工速度快、质量易保证等优点,是我国建筑业转型升级的必然选择。剪力墙结构刚度大,具有良好的受力性能,是高层住宅的首选结构形式,也是我国装配式建筑的主要结构形式。上下墙片通过竖向钢筋连接成为整体,因此,竖向钢筋的连接质量直接决定了装配式剪力墙结构的受力和抗震性能。

国内外学者对钢筋连接方法进行了大量研究,本文对研究成果进行了归纳和总结,按照构造形式的不同将剪力墙竖向钢筋连接方法分为套筒灌浆连接、浆锚搭接、现浇段连接、混合连接、螺栓连接五类。对每种方法的优缺点进行了概括和评价,最后对今后的研究进行了展望。

1 套筒灌浆连接

1.1 连接构造

钢筋套筒灌浆连接是指在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋连接方式[1],如图1所示。全灌浆套筒两端都是灌浆连接,半灌浆套筒下端采用灌浆连接,上端采用螺纹连接。灌浆料是指以水泥基为基本材料,并配以细骨料、外加剂及其他材料混合而成的用于钢筋套筒灌浆连接的干混料[2]。

图1 钢筋套筒灌浆连接Fig.1 Grout sleeve splicing of rebars

1.2 研究现状

钱稼茹等通过试验和理论分析系统研究了套筒灌浆连接的性能[3-6],结果表明,在破坏形态上,预制和现浇试件具有一致性,为边缘构件纵筋屈服,墙体底部混凝土受压破坏。钢筋应力在套筒处可以有效传递,预制试件的极限位移角高达1/59～1/48。同时尝试了竖向分布钢筋采用单排套筒连接,结果表明,此法是可行的,试件极限位移角达1/60。这种方法显著减少了套筒数量,简化了施工难度。

陈彤、徐巍等[7-8]介绍了钢筋套筒灌浆技术的实践案例,详细介绍了套筒灌浆连接的设计方法、应用集成、技术特点、关键施工要点及注意事项。实践表明,钢筋套筒灌浆连接具有切实的技术可行性,可以很好地达到规范要求的各性能指标,具有良好的经济和社会效益。

1.3 评价与建议

套筒灌浆连接在日本、欧美具有多年的应用经验,并在地震中表现出了良好的受力性能,在我国具有大量的工程应用,验证了其安全性,是一种可靠的连接方式。套筒灌浆连接应用范围广泛,适用于各种高度、各种结构形式的预制装配式剪力墙结构。相比于其他连接方式,套筒灌浆连接锚固长度短,节约材料,力学性能可靠,可看做机械连接。

但是套筒灌浆连接也存在明显的缺点,该方式构造复杂,精度要求高,一旦某根钢筋位置出现偏差,便可能造成整批构件报废。套筒灌浆连接施工质量不易检验,施工不方便,效率较低,对现场工人技术要求较高。此外,套筒造价高昂,大大降低了造价经济性。

综合来看,套筒灌浆连接目前技术最成熟、应用最广泛的竖向钢筋连接方法,但是也存在诸多缺点,建议今后的研究可以就施工复杂、造价高昂的缺点进行针对性改进以提高套筒灌浆连接的实用性和经济性。

2 浆锚搭接

钢筋浆锚搭接连接是指在预制混凝土构件中预留孔道,在孔道中插入需搭接的钢筋,并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋搭接连接方式[1]。

2.1 螺旋箍筋约束的浆锚搭接

螺旋箍筋约束的插入式预留孔灌浆钢筋搭接是我国自主研发的一种钢筋连接形式:在预制构件下端预留内壁为粗糙面的孔洞,安装时,下部墙体的预留钢筋插入的孔洞,然后灌入灌浆料使钢筋连为一体。另外,通过沿孔洞长度方向设置螺旋箍筋,进一步增强接头的连接性能,如图2所示。

姜洪斌等设计完成了锚固、搭接、足尺拟静力和拟动力试验[9-12]。锚固、搭接结果表明,试件破坏全部为钢筋屈服或拉断,锚固性能非常可靠并根据试验结果总结出此连接基本锚固长度为0.8la。如果构件中设置了螺旋箍筋,采用基本锚固长度即可满足纵筋的搭接要求,即ll=la。足尺模型试验结果表明,在试验结束时层间位移角均大于规范要求的1/100,延性良好。在7度设防区内达到了抗震设防目标,可以应用于地震设防区。

图2 插入式预留孔灌浆钢筋搭接Fig.2 Plug-in filling hole for steel bar lapping

钱稼茹等[13]对4个配有螺旋箍筋的浆锚搭接预制剪力墙试件进行了研究,结果表明:该方式可以有效传递纵筋和分布钢筋的应力,试件滞回曲线饱满,极限位移角为1/42～1/36。但其破坏形态与现浇试件有所区别,考虑到这一因素,不建议该方式应用于抗震等级为三级及以上的剪力墙。

2.2 NPC结构

NPC(New Precast Concrete)是指从澳大利亚引进的一种新型预制装配式剪力墙结构,该种结构是把下部墙体的预留钢筋插入上部墙体的预留孔道,孔道采用金属波纹管成孔,最后灌注灌浆料形成整体,如图3所示。此种结构已有较多的工程应用。

图3 NPC结构(单位:mm)Fig.3 NPC structure (Unit:mm)

朱张峰等对NPC体系进行了系统研究,完成了剪力墙构件以及单跨三层平面模型的抗震性能试验[14-16]。由试验可知,NPC试件在承载力、位移延性方面的表现较好,耗能能力、刚度与现浇墙体不相上下。预制剪力墙性能的提高幅度可以抵消钢筋用量增加带来的成本问题。试验及有限元分析表明,使用具有良好延性的HRB400级钢筋可以保证NPC节点的受力性能及承载能力,构造措施可取为;连接钢筋伸入梁内1 250 mm、墙内750 mm。

陈耀钢、张军等[17-19]介绍了NPC结构体系的应用案例,详细阐述NPC体系的设计和施工要点,为该体系的推广积累了实践经验。

2.3 套筒约束浆锚搭接

余琼提出了一种新型浆锚搭接接头[20-21],如图4所示,钢筋通过搭接连接,在接头外部设置套筒,套筒约束了混凝土,可以显著减少裂缝。此种方式不仅造价经济,而且便于施工。

图4 Ⅰ型和Ⅲ型接头Fig.4 TypeⅠand type Ⅲ connection

余琼等设计了126个接头单向拉伸以及3片剪力墙试验来验证此种接头的力学性能,结果表明,接头的主要破坏形式为钢筋拉断和灌浆料滑移。钢筋应力在接头处可以有效传递,预制墙耗能能力和承载力均不低于现浇试件,且预制墙的开裂荷载更高。同时给出了搭接长度取值:Ⅰ型接头为12.5ds,Ⅲ型接头为20ds(ds为搭接钢筋直径)。

2.4 墩头钢筋预留孔灌浆连接

墩头钢筋预留孔灌浆连接是指在上层墙体底部预留孔道,下层预留钢筋伸出墙顶,并将钢筋墩头,安装时,在孔道中插入墩头钢筋,之后灌注灌浆料形成整体,如图5所示。

图5 墩头钢筋预留孔连接Fig.5 Button-head steel bars in grouted reserved holes

刘程炜等[22-25]对墩头钢筋预留孔灌浆连接进行了系统研究,完成了锚固性能及预制剪力墙构件抗震性能试验,结果表明:试件的承载力与轴压比呈正相关,延性则与轴压比呈负相关,每个试件的极限位移角均在1/50以上,能量耗散系数在0.3～1.2之间,比现浇构件略好。墙身裂缝近似为X形,连接处混凝土出现水平通缝,此种连接方式可用于低层、多层建筑,同时建议锚固长度为0.6lab,预留孔直径取50 mm。试验还证明了再生混凝土可用于加工预制构件。

2.5 评价与建议

浆锚搭接具有多种构造形式,其中以螺旋箍筋约束的浆锚搭接和NPC结构应用最为广泛。这两种钢筋连接方法的安全性得到了实际工程的验证,但是其应用集中于低层、多层结构,在高层结构中的应用需要专门论证,有待进一步验证,因此其应用范围受到一定限制。

浆锚搭接原理简单,操作方便,只需要将钢筋插入预留洞,然后灌浆就能实现连接,可以大大提高构件加工和安装速度,施工效率得到明显提高。但是由于钢筋与预留洞要一一对应,对试件制作和施工精度要求较高,且过长的搭接长度造成了较大的钢材浪费。

总的来说,浆锚搭接是低层、多层结构中一种可选的钢筋连接方式,建议今后就其在高层结构中的应用展开研究。

3 现浇段连接

现浇段连接是指在上下预制剪力墙之间预留混凝土现浇段,在现浇段内把钢筋连接成为整体。

3.1 挤压套筒连接

钢筋套筒挤压是机械连接的一种形式,JGJ 107—2010《钢筋机械连接技术规程》详细规定了有关事项。当墙体采用挤压套筒连接时,在墙底与下层水平后浇带之间设置后浇段,在后浇段内安装挤压套筒以实现钢筋的连接,最后浇筑后浇段混凝土使墙体形成整体。

李宁波等[26-27]对挤压套筒连接进行了试验研究,结果表明,剪力墙破坏形态为纵筋屈服、墙底混凝土压溃,为压弯破坏;滞回曲线存在捏拢,各构件极限位移角均大于1/80,承载力均大于规范的要求值,试件破坏时,挤压套筒没有任何破坏,接缝完好无裂缝,钢筋没有滑移现象,总体来说,钢筋应力可以通过套筒挤压连接顺利传递,可以满足“三水准”抗震性能的要求。

3.2 套箍连接

钱稼茹等通过试验研究了套箍的受力性能[5],把U形钢筋分别预埋在预制墙和地梁内,使其在预留的现浇段内形成套箍。试验表明,现浇段顶部混凝土很难浇筑密实,出现了水平通缝,是破坏的主要部位,达到峰值后承载力下降很快,不建议在工程中应用。

此后,多名学者对套箍连接进行了改进研究。

余志武等[28]提出一种新型U形套箍连接,在预制构件预留U形筋形成套箍的基础上,设置平行于现浇段的通长钢筋,最后浇筑混凝土使墙体形成整体,如图6所示。试验表明,节点抗拔力与U形筋的埋置深度呈正相关,节点破坏的主要形式是弯曲或弯剪破坏,构件延性系数均在2.5以上;钢筋间的应力可以有效传递,但是试验中同样出现了新旧混凝土结合不佳、产生通缝的现象。

图6 U形套箍连接Fig.6 U-shaped ferrule connection

焦安亮等[29]发明了基于环筋扣合锚接的连接方式:上下剪力墙伸出U形钢筋在节点处扣合锚接,并对箍筋进行加密。进行了15个试件的拟静力试验,结果表明:预制试件的极限位移角在1/82～1/50之间,位移延性系数在4～7之间,试件的破坏模式、承载能力、延性、耗能能力均与现浇试件一致。

王墩等[30]提出了接缝连梁连接方法,上下墙体预留矩形筋,在接缝内设置通长钢筋,最后浇筑接缝处混凝土形成接缝连梁。试验结果显示:预制墙的破坏模式与现浇墙相似,均为弯剪破坏,接缝连梁位于墙体中部时的破坏程度小于接缝连梁位于底部。预制墙体变形能力略逊,但极限位移角大于1/100,延性、刚度退化与现浇试件不相上下,但是试验中也出现了现浇段难以浇筑密实的问题,出现了薄弱面。

3.3 齿槽连接

张锡治等[31]研究了墙体齿槽式连接方法:在墙体端部设置齿槽,齿槽内的钢筋自由搭接,然后在齿槽内浇筑混凝土形成整体,如图7所示。

图7 齿槽连接(单位:mm)Fig.7 Prefabricated alveolar connection (Unit:mm)

张锡治等设计完成的试验表明:墙体的破坏形态均为纵筋屈服,角部混凝土受压破坏,极限位移角为1/48～1/53。预制试件承载力、变形耗能能力、裂缝分布规律与现浇试件一致,但是此种方法要求钢筋搭接长度较长,否则属于不等强连接,在实际应用中需要进行专门论证。

3.4 评价与建议

现浇段连接构造简单易懂,原理清楚明了,理论上施工效率高、经济成本低,但是现浇段连接方法的安全性没有经过工程实践的检验,而且不同学者得出的结论也不尽相同,就其安全性和适用性存在分歧。因此,建议加强对现浇段连接安全性的研究,使其能早日应用于工程实践。

4 混合连接

混合连接是指采用两种或以上连接方法连接上下剪力墙水平接缝的措施。

4.1 U形闭合筋+浆锚搭接

剪力墙中部预埋金属波纹管形成预留孔道,采用浆锚搭接,左右两端采用设置现浇段的U形闭合筋连接,如图8所示。刘家彬等[32]完成了低周反复试验,结果显示:预制试件为弯剪破坏,极限位移角为1/46,位移延性系数为4,均满足规范要求。在开裂荷载、初期刚度方面,预制构件略逊,但峰值荷载表现更好。通过合理的构造可以满足“等同现浇”的要求。

图8 U形闭合筋连接Fig.8 U-shaped closed reinforcements connection

4.2 现浇段+套筒灌浆连接

在混凝土底部设置550 mm高的后浇区,钢筋在后浇区内搭接连接;在支腿内,使用灌浆套筒连接钢筋,在新旧混凝土连接的地方设置粗糙面或键槽,如图9所示。

图9 现浇段混合连接(单位:mm)Fig.9 subsequent concrete casting connection (Unit:mm)

李刚等[33]设计完成了试验来验证此方法的可行性,结果表明:通缝产生于后浇区上方和墙底水平接缝处;预制试件的破坏模式、滞回特征、延性、刚度退化等指标与现浇试件一致,承载能力相差最大值为5.7%,预制试件极限位移角大于1/87,位移延性系数在4.1以上,试验中竖向接缝未开裂,整体性和抗震性能优异。

4.3 评价与建议

混合连接可以发挥不同连接方式的优点,使结构受力性能得到改善,可以根据不同剪力墙的形状、尺寸灵活设置各连接方式的位置,但是其构造过于复杂,生产和施工效率低下,施工质量难以检验,而且其安全性没有经过工程实践检验,尚处于研究阶段,因此建议今后的研究中针对整体结构安全性不足和构造复杂的缺点进行优化。

5 螺栓连接

螺栓连接在现场几乎不需要现浇混凝土湿作业,大大提高了施工效率,但国内目前螺栓应用并不广泛。

5.1 湿式螺栓连接

同济大学联合有关单位开发了一种竖向使用螺栓连接、楼板使用SP叠合板的装配整体式混凝土剪力墙体系,如图10(a)所示。上层墙体预留螺栓孔和安装孔,下层墙体的预留筋伸入螺栓孔并灌入水泥砂浆,然后在安装孔内固定螺栓,最后通过现浇混凝土封堵安装孔,使墙体连接成整体。

图10 螺栓连接Fig.10 Bolted connection

薛伟辰等[34]对该体系进行了试验研究,结果表明:剪力墙的破坏形式为受弯破坏,纵筋屈服,拼缝处混凝土受压破坏。抗弯承载力方面,预制与现浇试件不相上下,抗弯安全系数达1.35,抗剪安全系数约2.9,具有良好的安全性和延性。同时建议对于一些薄弱部位应加强约束。

龙莉波等[35]介绍了螺栓连接在上海周康航动迁安置房项目中的应用,阐述了一套高效适用的螺栓连接施工方法。实践证明,该种连接方法具有很强的技术可行性,施工效果良好,施工质量得到了有效控制。

5.2 干式螺栓连接

孙建等[36-37]提出了一种水平接缝干式连接方案,在剪力墙两端设置内嵌边框,采用连接钢框和高强螺栓将墙体连接成整体,如图10(b)所示。试验结果表明:钢框的变形特点与预制剪力墙基本一致,该结构具有良好的延性,延性系数大于3.7,但是预制剪力墙的变形能力受连接件影响较大,同时应注意控制施工误差以避免连接钢框局部屈屈。

5.3 评价与建议

螺栓连接理念先进,现场几乎不需要湿作业,施工效率极高,施工质量易于控制和检查,符合装配式建筑的发展理念。湿式螺栓连接已经有一定的工程经验,安全性得到有效保证,在小高层中得到了一定应用。干式螺栓连接不需要任何现场湿作业,充分发扬了装配式建筑的优点,施工效率高,但是端部使用钢板很多,大大增加了钢材用量,提高了工程造价。

总的来说,螺栓连接是一种具有研究价值和应用前景的连接方法,其干式连接的思想具有无比的先进性,建议今后加强对螺栓连接的研究,使其能更好地服务于工程建设。